Katalis Besi Membuat Sel Bahan Bakar Hidrogen Praktis

Sel Bahan Bakar Hidrogen: Katalis Besi sebagai Alternatif Platinum

Hydrogen secara teori dapat menjadi bahan bakar sempurna untuk masa depan hijau: Ia dapat diproduksi dari listrik terbarukan, tidak menghasilkan polutan apa pun saat dikonsumsi, dan hanya memerlukan air sebagai bahan produksi.

Namun, memproduksi hidrogen dengan biaya yang cukup rendah telah menjadi tantangan. Sistem alternatif, seperti ko-produksi air tawar secara bersamaan, katalis hidrogen baru yang tidak memerlukan logam mulia, atau fotokatalisis, sedang dieksplorasi.

Langkah lain yang mengurangi kelayakan komersial hidrogen berada pada tahap konsumsi. Ketika tidak digunakan dalam mesin pembakaran (mirip dengan mesin bahan bakar, dengan efisiensi lebih rendah), sel bahan bakar digunakan, yang biasanya memerlukan platinum mahal sebagai katalis.

Tidak hanya hal ini membuat sel bahan bakar lebih mahal, tetapi juga dapat menghambat adopsi massal hidrogen sebagai bahan bakar, karena platinum dan logam terkait seperti palladium sangat langka di Bumi, sehingga meningkatkan produksi mereka menjadi sulit dicapai.

Untungnya, alternatif sedang muncul, berkat kerja ilmuwan China di banyak institusi riset terkemuka negara ini: Chinese Academy of Sciences, Shenzhen University (China), Southeast University (China), Tsinghua University, Beijing University of Chemical Technology, City University of Hong Kong, dan Xiamen University.

Mereka mempublikasikan¹ penemuan katalis berbasis besi baru untuk sel bahan bakar di jurnal ilmiah bergengsi Nature, dengan judul “Reduksi oksigen asam oleh katalis Fe atom tunggal pada dukungan melengkung”.

Bagaimana Sel Bahan Bakar Bekerja

Bagian sel bahan bakar yang menghasilkan listrik dari konsumsi hidrogen adalah membran pertukaran proton (PEM).

Sel bahan bakar bekerja dengan mengkatalisis konversi hidrogen (H₂) menjadi proton (ion H+) + elektron, menghasilkan arus listrik. Seperti disebutkan sebelumnya, katalis ini secara tradisional adalah platinum, logam yang mahal.

Sumber: Wikipedia

Sebaliknya, ilmuwan China telah menciptakan desain katalis baru, yang digambarkan sebagai “aktivasi dalam, perlindungan luar”, yang mengandalkan besi sederhana sebagai katalis.

Katalis Hidrogen Berbasis Besi

Tantangan Katalis Besi dalam Sel Bahan Bakar

Gagasan menggunakan katalis besi, yang secara alami dapat menangkap oksigen (kecenderungan yang biasanya kita kenal sebagai “karat”) dan mengikatnya pada ion hidrogen, bukanlah hal baru.

Namun hingga kini, hal tersebut terhambat oleh reaksi kimia yang tidak diinginkan, terutama adsorpsi kuat dari intermediat reaksi beroksigen, dan demetalisasi atom besi. Jadi atom besi menjadi “terjebak” dengan senyawa kaya oksigen, atau tidak dapat berfungsi sebagai katalis.

Untuk menghentikan reaksi tidak diinginkan ini, para peneliti menciptakan nanostruktur unik untuk katalis besi.

Katalis Besi Berongga Nanostruktur

Katalis besi tradisional mengandalkan permukaan luar grafena atau dukungan karbon, yang membatasi jumlah besi yang dapat diakses untuk reaksi yang diinginkan dengan hidrogen.

Sebaliknya, metode yang digunakan adalah menciptakan permukaan melengkung dalam dengan situs katalis besi atom tunggal.

Setiap situs ini terletak dalam struktur berongga multi-sel berukuran nano (HoMS). Nano HoMS ini tersebar dan terikat pada lapisan karbon 2D, mirip dengan grafena.

Sumber: Research Gate

Partikel berongga nano berukuran sekitar 10 nm × 4 nm, dan terdiri dari beberapa selaput di mana atom besi terkonsentrasi pada lapisan dalam dengan kepadatan tinggi. Spektroskopi penyerapan sinar-X sinkrotron mengungkapkan bahwa atom Fe dalam ini berada pada tingkat 57.9% dalam keadaan aktif secara katalitik.

Sumber: Research Gate

Peningkatan Kinerja dengan Katalis Besi

Geser untuk menggulir →

Nanostruktur melemahkan kekuatan ikatan intermediat reaksi beroksigen, menghilangkan batasan utama pada katalis berbasis besi.

Sumber: Research Gate

Hal ini juga mengurangi laju produksi radikal hidroksil (•OH), molekul yang sangat reaktif dan merusak yang selalu menjadi potensi masalah dalam reaksi oksigen-hidrogen.

Hasil akhirnya adalah sel bahan bakar yang menggunakan katalis besi yang secara radikal lebih unggul dibandingkan desain lain, baik dalam hal kepadatan daya puncak maupun kepadatan arus (bintang merah di bawah), dengan kepadatan daya tertinggi tercatat sebesar 0.75 W cm−2 di bawah 1,0 bar H2–udara.

Sumber: Research Gate

Desain katalis ini juga jauh lebih tahan lama dibandingkan iterasi sebelumnya dari katalis berbasis besi, tetap mempertahankan efisiensi 86% setelah lebih dari 300 jam operasi.

Sumber: Research Gate

Kesimpulan

Ekonomi hidrogen hanya akan mungkin ketika pertimbangan ekonomi telah terpecahkan, dengan katalis yang mudah diproduksi, mengandalkan material yang melimpah dan murah.

Dalam konteks tersebut, besi, sebagai salah satu logam yang paling banyak diproduksi dan termurah di bumi, akan menjadi kandidat ideal.

Ini juga berarti degradasi efisiensi yang relatif cepat seiring waktu (yang kemungkinan masih dapat ditingkatkan dari desain eksperimental pertama) akan menjadi masalah yang lebih kecil, dan bagian katalis sel bahan bakar dapat diganti secara teratur dengan yang baru, sementara yang lama didaur ulang atau diregenerasi ke kinerja aslinya.

Berinvestasi dalam Teknologi Sel Bahan Bakar

Plug Power (PLUG ) adalah pemimpin dalam hidrogen hijau, dengan fokus pada sel bahan bakar. Perusahaan melaporkan lebih dari 72.000 sel bahan bakar terpasang di lebih dari 300 lokasi, dengan jejak besar dalam armada penanganan material. Khususnya, sel bahan bakarnya menggerakkan lebih dari 40.000 forklift, dan pendapatannya meningkat 8 kali lipat sejak 2013.

Perusahaan juga aktif dalam membangun infrastruktur hidrogen, seperti produksi hidrogen, logistik, pembangkit listrik skala utilitas, dan pengiriman.

Sumber: Plug Power

Perusahaan menargetkan skala untuk menurunkan biaya produksi hidrogen dari $10/kg menjadi $4/kg, sambil melipatgandakan produksi sebesar 14 kali pada tahun 2027. Selain itu, perusahaan juga akan menggantikan semua hidrogen yang bersumber eksternal, yang sering dijual kembali kepada pelanggan dengan kerugian.

Karena investasi besar untuk meningkatkan kapasitas produksi 19 kali sejak 2020, perusahaan belum menguntungkan, tetapi kemajuan dalam memperoleh hidrogen sendiri seharusnya mengubah hal tersebut.

Perusahaan melihat solusi mereka sebagai bahan bakar mobilitas langsung atau pelengkap bagi kendaraan listrik (EV), karena hidrogen memungkinkan pengurangan beban pada jaringan listrik selama waktu pengisian puncak EV, yang tidak sinkron dengan periode produksi energi terbarukan pada siang hari.

Sumber: Plug Power

Sebagai produsen utama sel bahan bakar, Plug Power akan sangat diuntungkan dari pergeseran menuju ekonomi berbasis hidrogen. Katalis sel bahan bakar yang lebih murah dapat diintegrasikan ke dalam desain mereka, dan meningkatkan tingkat adopsi kendaraan hidrogen serta penyimpanan energi skala jaringan.

Jadi hal ini menjadikan Plug Power saham yang baik untuk dipertaruhkan pada pergeseran menuju hidrogen secara umum, dengan pertumbuhan permintaan terhadap sel bahan bakarnya setiap kali metode yang lebih murah untuk memproduksi, menyimpan, mengangkut, atau memanfaatkan hidrogen ditemukan.

Berita dan Perkembangan Saham Plug Power Inc (PLUG) Terbaru

Studi Dirujuk

^{1. Zhao, Y., Wan, J., Ling, C. et al. Reduksi oksigen asam oleh katalis Fe atom tunggal pada dukungan melengkung. Nature 644, 668–675 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09364-6}